冰水混合物的温度与“温速”

白 净

(北京四中呼和浩特分校 010010)

在中学教材中，沿用“冰水混合物的温度为0℃”[1].认为冰的熔点和水的凝固点相同，所以二者混合后温度保持0℃.实际中是否完全是这种情况呢？冰水混合物的温度为0℃有什么限制条件？

一、试验方案

考虑环境条件和外界能量变化等因素，共设计4组试验.

试验1：预制冰水混合物始终处于一个大气压、0℃环境，无能量输入；

试验2：预制冰水混合物置于一个大气压、25℃室温环境条件下，静置3小时，无其它热源加热；

试验3：预制冰水混合物置于一个大气压、25℃室温环境条件下，并通过热源给预制冰水混合物快速加热；

试验4：预制冰水混合物置于一个大气压、环境温度为-10℃的条件下，静置3小时，无能量输入.在试验过程中，每隔1分钟测读一次冰水混合物温度，直至温度不再发生变化.

二、试验结果

试验发现，试验1中冰水混合物的温度始终为0℃；

试验2中冰水混合物中的冰缓慢发生融化，冰水混合物的温度会稍有升高，升高程度较小；

试验3中冰水混合物中的冰迅速融化，同时冰水混合物的温度也迅速升高且升高程度较大；

试验4中冰水混合物的温度由0℃缓慢降低，降低幅度不大，最终凝结成冰.

试验2～试验4表明，一个大气压下，冰水混合物的温度并非总为0℃，可能高于或低于0℃，其大小受环境温度及外界能量输入快慢影响.对比试验2试验3，在环境温度一定的情况下，外界能量输入越快，冰水混合物温度越高，也就是说“温速”越大，升温越高.所谓温速(x)，是指单位时间内单位质量水的温度升高值，其大小取决于外界能量的输入快慢，如式(1)所示.试验4中温速反向增大较小，冰水混合物温度较低较小.

三、分析

冰水混合物作为一个系统，系统吸收的热量=冰吸收的热量+水吸收的热量.冰吸收的热量促使冰融化，水吸收的热量一部分(Q1)通过热传导给冰使冰融化，另一部分(Q2)则没来得及传导至冰致使水温升高.冰水混合物的温度实际上主要测定的是冰水混合物中水的温度(温度计被水紧紧包裹)，如图所示.据式(1)，在外界有能量输入时，此时公式中的Q即为Q2，Q2不为0，则x不为0，水温升高，冰水混合物温度升高；在外界能量输入较快时，单位时间内Q2也越大，则x越大，冰水混合物的温度升高越大.同理，系统能量输出时，x反向增大，会导致水结冰，温度降低.因此温速可作为影响冰水混合物温度的评价指标.

试验和理论分析均表明，冰水混合物的温度不完全是0℃；在有外界能量输入的情况下，冰水混合物的温度会升高；在能量输出时，冰水混合物温度会降低；升高和降低幅度，可用温速指标衡量；只有在一个大气压、0℃环境、无能量输入情况下，冰水混合物温度才为0℃.

参考文献：

[1]物理课程教材研究开发中心.义务教育教科书《物理》(八年级上册)[M].北京：人民交通出版社,2012(48).

[2]物理课程教材研究开发中心.义务教育教科书《物理》(九年级全一册)[M].北京：人民交通出版社,2013(14).